产品应用案例│可逆超疏水性翻转触发磁珠调节核酸的结合和分离进行超灵敏检测
日期：
2022-11-07
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产品应用案例│可逆超疏水性翻转触发磁珠调节核酸的结合和分离进行超灵敏检测
核酸（NAs）存储了所有形式的可遗传生物信息。目前的分子生物学程序通常是基于离心机和硅基柱的方法提取和纯化核酸，其中包括使用专门的仪器和有毒化学品。这些功能限制了它在高通量分析中的使用。
磁珠（MBs）为核酸的提取和纯化提供了一个可行的解决方案。MBs最方便的特点是它能够在不同的情况下与核酸强烈地结合和分离。然而，磁珠的提取效率低，限制了核酸的检测。
为了解决这一问题，研究人员设计了一种可逆超疏水性翻转触发磁珠（SYMBOL）调节核酸的结合和分离进行超灵敏检测。通过在磁珠表面包覆氟碳表面活性剂FS@SiO2涂层，验证了SYMBOL表面的-COO-具有翻转特性并将其从超亲水性/超疏油状态转换为超双疏状态的性质， 能够在低浓度的核酸条件下提高其提取效率。该方法可以很好地与测序、qPCR、数字PCR等下游的核酸分析技术相结合（研究工作发表在Chemical Engineering Journal, IF 13.273）。
本文重点：
1. 本研究工作中，作者首先阐述了SYMBOL在核酸提取过程中的工作原理。
图1. SYMBOL在提取核酸过程中的示意图。在结合步骤中，SYMBOL表面带负电荷的基团（-COO-）很容易与溶液中的NAs通过离子桥结合（pH约6.5）。而在分离步骤中，SYMBOL表面的-COO-具有翻转特性。由于洗涤缓冲液处理后Na+迅速下降，-COO-和NAs之间的静电相互作用远远弱于-COO-与SYMBOL表面之间的静电相互作用。这样，在-COO-翻转和洗脱缓冲液（pH约8.5）的双重作用下，连接NAs的离子桥可能完全断裂，通过Na+与SYMBOL上的-COO-结合的NAs将更有效、彻底地释放。此外，在洗脱步骤中，SYMBOL的状态将为超疏水状态，而SYMBOL表面的亲水NAs将更容易被洗脱缓冲液清洗掉。
2. 其次，作者通过一系列表征测试证明了SYMBOL的成功制备。
图2. SYMBOL结构设计与表征示意图。TEM和粒径分布结果表明合成的四氧化三铁粒径约为5-30 nm，SYMBOL的粒径为80-110 nm。元素分析结果证实了SYMBOL的成功制备。其中F是SYMBOL最外层的主要元素，其次是Si，Fe是SYMBOL内核的主要元素。3. 然后，作者通过一些表征测试验证了SYMBOL的翻转特性以及翻转过程中的超疏水变化。
图3. 经过不同处理后SYMBOL表面的结构变化示意图以及水接触角（WCA）值大小变化。在未处理的SYMBOL中，表面-COO-基团保持向外，表面-C6Fx尾部保持向内。因此，SYMBOL能够溶解在水中，WCA值为18.47◦。然而，当用洗涤缓冲液处理并风干后，-COO-基团向内翻转，SYMBOL不能在水中溶解，WCA值为156.37◦。因此，SYMBOL变得非常疏水。此外，经氨处理后的-COO-基团和-C6Fx尾部的位置被翻转，干燥后SYMBOL能够再次溶解在水中，WCA值为18.36◦。综上所述，翻转猜想通过可重复的可逆润湿性再次验证，并通过洗涤缓冲液和氨处理进行调节，这意味着-COO-基团和-C6Fx尾部的位置也通过洗涤缓冲液和氨进行调节。因此，用洗涤缓冲液处理过的SYMBOL可完全恢复到未处理过的状态，并可重复用于NAs提取。4. 最后，作者采用病毒基因组DNA/RNA提取试剂盒中的磁珠作为对照来验证SYMBOL在核酸提取过程中结合与分离能力以及在低浓度核酸下的超灵敏检测。
图4. SYMBOL与核酸提取试剂盒中磁珠的核酸提取能力比较。结果表明，与试剂盒中的MBs相比，SYMBOL在DNA和RNA提取中均表现出非常高的分离效率，SYMBOL洗脱一次的效果大于或等于试剂盒中的MBs多次洗脱时的效果。
总结：
本研究成功开发了新型MBs，并将其命名为SYMBOL。该SYMBOL可以通过结合缓冲液和洗涤缓冲液来调节NAs的结合和分离能力。与本研究所采用的核酸提取试剂盒中的MBs相比，SYMBOL表现出相似的结合特性和远远增强的分离特性，进一步提高了NAs的提取效率。通过之前报道的偶联d-LAMP检测方法，建立了SYMBOL-dLAMP方法，可以实现对假病毒SARSCoV-2ORF1ab参考质粒的超灵敏检测，检测限低至5拷贝/mL，在SARS-CoV-2ORF1ab检测中具有很大的潜力。此外，它还可以应用于多种核酸相关技术，如各种核酸扩增方法和测序方法。Fei Z , Cheng C , Wei R , et al. Reversible superhydrophobicity unyielding magnetic beads of flipping-triggered (SYMBOL) regulate the binding and unbinding of nucleic acids for ultra-sensitive detection[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 431:133953..
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